The sonic boom problem - Katerina Kaouri

Translator: Khanh Van Nguyen Reviewer: Nguyễn Dương

Humans have been fascinated with speed for ages.

Con người đã có hứng thú với tốc độ từ rất lâu.

The history of human progress is one of ever-increasing velocity,

Lịch sử tiến hóa của con người gắn liền với một tốc độ tăng liên tục,

and one of the most important achievements in this historical race

và một trong những thành tựu quan trọng nhất trong tiến trình lịch sử

was the breaking of the sound barrier.

đó là phá vỡ hàng rào âm thanh.

Not long after the first successful airplane flights,

Không lâu sau khi chiếc phi cơ đầu tiên thành công,

pilots were eager to push their planes to go faster and faster.

các phi công đã luôn khao khát làm cho máy bay của họ ngày một nhanh hơn.

But as they did so, increased turbulence

Nhưng khi họ làm vậy lại càng tăng thêm sự hỗn loạn

and large forces on the plane prevented them from accelerating further.

và lực tác động lên máy bay, điều đó làm ngăn chặn máy bay bay nhanh hơn.

Some tried to circumvent the problem through risky dives,

Một số đã thử giải quyết vấn đề bằng cách thực hiện những cú nhào lộn nguy hiểm

often with tragic results.

thường dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

Finally, in 1947, design improvements,

Cuối cùng, vào năm 1947, bản thiết kế được cải tiến

such as a movable horizontal stabilizer, the all-moving tail,

như bộ thăng bằng ngang di động, đuôi di động,

allowed an American military pilot named Chuck Yeager

phi công người Mỹ Chuck Yeager

to fly the Bell X-1 aircraft at 1127 km/h,

đã lái chiếc máy bay Bell X-1 với vận tốc 1127km/h,

becoming the first person to break the sound barrier

trở thành người đầu tiên phá vỡ hàng rào âm thanh

and travel faster than the speed of sound.

và di chuyển nhanh hơn cả tốc độ âm thanh.

The Bell X-1 was the first of many supersonic aircraft to follow,

Chiếc Bell X-1 là một trong những chiếc máy bay siêu thanh đầu tiên được thực hiện

with later designs reaching speeds over Mach 3.

và các thiết kế sau đã đạt được tới tốc độ số Mach 3( tốc độ siêu thanh)

Aircraft traveling at supersonic speed create a shock wave

Ở tốc độ siêu âm máy bay sẽ tạo ra sóng xung kích

with a thunder-like noise known as a sonic boom,

với tiếng động lớn như sấm chớp được biết đến là một quả bom âm thanh,

which can cause distress to people and animals below

nó có thể gây nguy hiểm cho người và động vật bên dưới.

or even damage buildings.

hoặc thậm chí phá vỡ các tòa nhà.

For this reason,

Bởi vậy,

scientists around the world have been looking at sonic booms,

các nhà khoa học trên thể giới vẫn đang tìm kiếm các quả bom âm thanh

trying to predict their path in the atmosphere,

và cố gắng tìm ra đường đi của chúng trong khí quyển

where they will land, and how loud they will be.

nơi mà chúng sẽ truyền xuống mặt đất và biên độ của chúng.

To better understand how scientists study sonic booms,

Để hiểu rõ thêm về cách các nhà khoa học nghiên cứu bom âm thanh,

let's start with some basics of sound.

hãy bắt đầu với một vài điều cơ bản về âm thanh.

Imagine throwing a small stone in a still pond.

Thử tưởng tượng khi ta ném một hòn đá xuống một mặt hồ phẳng lặng.

What do you see?

Bạn có thấy điều gì?

The stone causes waves to travel in the water

Hòn đá ấy tạo nên các gợn sóng

at the same speed in every direction.

với cùng tốc độ ở các hướng khác nhau.

These circles that keep growing in radius are called wave fronts.

Những vòng tròn có bán kính tăng dần này được gọi là sóng phẳng.

Similarly, even though we cannot see it,

Cũng tương tự vậy, tuy ta không thể thấy,

a stationary sound source, like a home stereo,

một nguồn phát âm, như máy radio

creates sound waves traveling outward.

cũng tạo nên các sóng di chuyển như vậy.

The speed of the waves depends on factors

Tốc độ của các sóng ấy phụ thuộc các yếu tố

like the altitude and temperature of the air they move through.

như độ cao, nhiệt độ trong không khí nơi chúng di chuyển qua

At sea level, sound travels at about 1225 km/h.

Ở mực nước biển, tốc độ âm thanh khoảng 1225 km/h.

But instead of circles on a two-dimensional surface,

Thay vì các vòng tròn trong mặt phẳng hai chiều,

the wave fronts are now concentric spheres,

các sóng phẳng bây giờ là các khối cầu đồng tâm,

with the sound traveling along rays perpendicular to these waves.

và âm thanh chuyển động theo các tia vuông góc với các sóng này.

Now imagine a moving sound source, such as a train whistle.

Còn giờ hãy tưởng tượng tới nguồn âm di động như là tiếng còi tàu hỏa.

As the source keeps moving in a certain direction,

Khi nguồn âm di chuyển về một phía cố định

the successive waves in front of it will become bunched closer together.

những sóng liên tiếp ở trước nó sẽ bị ép lại sát nhau hơn.

This greater wave frequency is the cause of the famous Doppler effect,

Những tần số âm lớn này là hệ quả của một hiệu ứng nổi tiếng: Doppler

where approaching objects sound higher pitched.

khi mà những vật phát ra âm thanh với cao độ cao hơn.

But as long as the source is moving slower than the sound waves themselves,

Nhưng miễn là nguồn âm chuyển động chậm hơn sóng âm của chúng,

they will remain nested within each other.

chúng vẫn lồng vào nhau như bình thường.

It's when an object goes supersonic, moving faster than the sound it makes,

Khi một vật trở thành siêu thanh, di chuyển nhanh hơn âm thanh chúng phát ra

that the picture changes dramatically.

thì sự việc thay đổi đáng kể.

As it overtakes sound waves it has emitted,

Vì nó vượt qua sóng âm mà nó phát ra,

while generating new ones from its current position,

trong khi vẫn phát ra sóng âm ở vị trí hiện tại,

the waves are forced together, forming a Mach cone.

các sóng âm dồn lại với nhau, tạo nên hình nón Mach.

No sound is heard as it approaches an observer

Khi nó tiến gần tới, người quan sát sẽ không nghe được gì cả

because the object is traveling faster than the sound it produces.

vì nó đi nhanh hơn âm thanh mà nó phát ra.

Only after the object has passed will the observer hear the sonic boom.

Chỉ sau khi vật ấy đi qua, người quan sát sẽ nghe được âm thanh cực lớn.

Where the Mach cone meets the ground, it forms a hyperbola,

Khi hình nón Mach tới mặt đất, nó tạo nên hình hy-bec-bôn,

leaving a trail known as the boom carpet as it travels forward.

để lại một vệt gọi là thảm bom khi nó di chuyển về trước.

This makes it possible to determine the area affected by a sonic boom.

Điều này cho phép ta xác định được vùng chịu ảnh hưởng bởi bom âm thanh.

What about figuring out how strong a sonic boom will be?

Vậy làm sao để biết được sức mạnh của bom âm thanh?

This involves solving the famous Navier-Stokes equations

Ta phải giải được phương trình Navier - Stokes nổi tiếng

to find the variation of pressure in the air

để tìm được sự thay đổi áp suât trong không khí

due to the supersonic aircraft flying through it.

khi máy bay siêu thanh bay ngang qua.

This results in the pressure signature known as the N-wave.

Điều này dẫn đến dấu hiệu áp suât sóng N.

What does this shape mean?

kí hiệu này có ý nghĩa gì?

Well, the sonic boom occurs when there is a sudden change in pressure,

Bom âm thanh xảy ra khi có sự thay đổi bất ngờ về áp suất,

and the N-wave involves two booms:

và sóng N liên quan tới cả 2 âm thanh lớn:

one for the initial pressure rise at the aircraft's nose,

một khi áp suất bắt đầu tăng ở mũi máy bay

and another for when the tail passes,

và cái còn lại là khi đuôi máy bay đi qua,

and the pressure suddenly returns to normal.

và áp suất bất ngờ trở lại như cũ.

This causes a double boom,

Điều này gây ra âm thanh kép lớn,

but it is usually heard as a single boom by human ears.

nhưng đối với người thường chỉ là 1 lần.

In practice, computer models using these principles

Trong thực tế, máy tính mẫu dùng các nguyên lí này

can often predict the location and intensity of sonic booms

để dự đoán vị trí và độ mạnh của bom âm thanh

for given atmospheric conditions and flight trajectories,

từ các điều kiện không khí và đường bay đã cho,

and there is ongoing research to mitigate their effects.

từ đó nghiên cứu cách giảm nhẹ hậu quả của chúng.

In the meantime, supersonic flight over land remains prohibited.

Trong lúc ấy, những chuyến bay siêu thanh xuyên lục địa vẫn bị cấm.

So, are sonic booms a recent creation?

Vậy, bom âm thanh có phải sự sáng tạo mới đây không?

Not exactly.

Không hẳn thế.

While we try to find ways to silence them,

Khi chúng ta đang tìm cách làm chúng yên lặng

a few other animals have been using sonic booms to their advantage.

một vài loài động vật đã sử dụng bom âm thanh.

The gigantic Diplodocus may have been capable of cracking its tail

Loài khủng long Diplodocus đã có khả năng vẫy đuôi

faster than sound, at over 1200 km/h, possibly to deter predators.

với tốc độ nhanh hơn âm thanh, hơn 1200km/h, để đe dọa kẻ thù.

Some types of shrimp can also create a similar shock wave underwater,

Một số loài tôm cũng có thể tạo ra sóng tương tự ở dưới nước

stunning or even killing pray at a distance

bằng tiếng tách tách từ chiếc càng to lớn của nó

with just a snap of their oversized claw.

để làm choáng hoặc thậm chí giết con mồi ở khoảng cách xa.

So while we humans have made great progress

Trong khi con người vẫn đang có được sự tiến bộ

in our relentless pursuit of speed,

trong những cố gắng không ngừng về tốc độ,

it turns out that nature was there first.

thì thiên nhiên đã có được nó từ lâu rồi.